Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук

АНАЛИЗ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СТЕРЖНЕВЫХ СИСТЕМ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И МАШИННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Ю.Ф. Филиппова

г. Красноярск

В настоящее время силовые конструкции стержневого типа широко распространены в технике и подробно изучены с позиций механики деформируемого твердого тела.

Развитие техники и технологий приводят к усложнению конструктивных схем объектов, в том числе содержащих стержневые системы (СС). При этом возникает опасность недопонимания и неучета системных эффектов взаимодействия стержневых элементов (СЭ), несмотря на то, что оценка характера деформирования каждого отдельного элемента не вызывает затруднений.

Эта опасность возникает чаще всего в перспективных технических системах и машинных комплексах, содержащих в своем составе принципиально новые конструктивные формы, опыт конструирования которых незначителен или вовсе отсутствует. Рассмотрим в качестве примеров следующие конструктивные формы.

1) силовая ферма космического телескопа [пат. № 2417389], отличающаяся тем, что в ней диагональные, продольные и поперечные стержни выполнены составными, соединенными между собой биметаллическим кольцом, при этом в местах соединения с биметаллическим кольцом в стержнях выполнены продольные прорези на длину краевого эффекта.

2) мачта [пат. №2359096 РФ], отличающаяся тем, что в пустотелом стволе размещены заполненные воздухом или газом легче воздуха герметичные тела, и еще тем, что герметичные тела соединены между собой эластичной перемычкой.

3) трехгранная решетчатая конструкция [пат. № 2378469 РФ], отличающаяся тем, что пояса выполнены из двутавров, распорки из тавров, при этом распорки полкой тавра наложены на обушок полки двутавра, а торцом уперты в его стенку, раскосы, выполненные, из уголка, концами прикреплены к полкам тавра.

4) развертываемый крупногабаритный рефлектор космического аппарата [пат. № 2350519 РФ], отличающийся тем, что силовой каркас образован из шарнирно соединенных с основанием прямолинейных спиц, выполненных в виде сетчатых стержневых конструкций с закрепленными на их концах консолями.

5) стойка опорная [пат. № 2471947 РФ], отличающаяся тем, что пояса выполнены из уголка, грани скреплены между собой с помощью расположенных на внешней стороне поясов крепежных пластин, а скрепленные между собой пояса смежных граней образуют составной пояс, и одна часть крепежной пластины приварена к поясу одной из состыкованных смежных граней к внешней плоскости полки пояса, а другая часть скреплена через отверстия с помощью болтового соединения со второй стыкуемой смежной гранью.

Анализ указанных и других конструктивных форм показывает, что условия силового взаимодействия элементов таких СС неочевидны и возникает необходимость в постановке исследовательских задач по изучению механики поведения СЭ в нетрадиционных конфигурациях технических объектов.

Практический подход, учитывающий как классические методы определения максимумов усилий в элементах оборудования, так и возможности современных методов численного моделирования, укрупненно сводится к следующим шагам.

1. Рассматривается механическая система, состоящая из N взаимосвязанных элементов СС. Тогда ei (i= 1,N) - i-й элемент этой системы.

2. Далее составляется матрица размерности NЧK (K - число расчетных положений технического объекта), содержащая значения рассматриваемого силового фактора F (усилий, моментов, напряжений…) в каждом СЭ для каждого расчетного положения (табл.).

В рамках исследовательского проекта рассмотрим применение этого подхода на примере конкретного технического объекта [1]. Объектом анализа является инновационная продукция верхнего рабочего оборудования конструкции карьерного экскаватора.

Расчетные значения силовых факторов

Была поставлена задача для каждого элемента системы поиск максимума силового фактора в диапазоне значений рассмотренных расчетных положений и определение, таким образом, расчетных положений, комбинация нагрузок в которых должна рассматриваться как один из расчетных случаев нагружения (в рассматриваемом условном примере это расчетные положения 2, 3 и 6 в табл.). Была разработана упрощенная конечно-элементная модель основных элементов конструкции рабочего оборудования верхнего строения и определено конечное множество конфигураций модели с учетом кинематики экскаватора (рис. 1). Модель представлена СЭ высокой жесткости и предназначена только для исследования распределения усилий в элементах оборудования в течение цикла копания.

Рис. 1. Стержневая модель.

1 - стержень, соответствующий стреле; 2 - стержень, соответствующий толкателю напора; 3 - стержень, соответствующий правой части рамы платформы поворотной и стойки; 4 - стержень, соответствующий левой части платформы поворотной; 5 - стержень, соответствующий толкателю подъема

Конфигурация этой модели варьировалась в связи с переменной длиной стержней 2 (в связи с возможным выдвижением толкателя напора) и 5 (в связи с возможным выдвижением толкателя подъема). Возникающее при этом бесконечно большое количество положений рабочего оборудования дискретизировано следующим образом [2]. Рассмотрено пять последовательных положений, возникающих при втягивании толкателя напора (длина стержня 2 при этом принимает значения 7950, 7250, 6550, 5850, 5150 мм), и 22 положения, возникающие при выдвижении толкателя подъема (удлинение стержня 5 при этом принимает значения 0, 147, 294, 441, 588, 735, 882, 1029, 1176, 1323, 1470, 1617, 1764, 1911, 2058, 2205, 2352, 2499, 2646, 2793, 2940, 3040 мм). Таким образом, задача сводится к анализу распределения усилий в 110 расчетных конфигурациях рабочего оборудования. силовой стержневой кинематика экскаватор

Несколько соответствующих реакций вычислены и приведены ниже (рис. 2). Реакции представлены в форме графиков зависимостей усилий в стержнях от удлинения Дl стержня 5 (хода толкателя подъема) при пяти фиксированных значениях длины стержня 2 (толкателя напора).

Рис. 2. Зависимость осевого усилия в стержнях 1,2,3,4,5 от единичной горизонтальной нагрузки при первом положении толкателя напора (его длине 7950 мм)

Выводы

1. При проектировании/конструировании необходимо первостепенно определиться с подходящим к конкретному объекту расчетным случаем нагружения (из большого многообразия возможных исходных постановок задач выбрать наиболее опасные положения).

2. Для выбранных положений (определившись) далее следует определить (найти) реакции от единичных нагрузок.

3. Данный анализ силового взаимодействия элементов СС рабочего оборудования перспективных технических систем и машинных комплексов является универсальным и может быть использован при различных условиях эксплуатации конкретного объекта (стоит только единичные нагрузки изменить на реальные).

Список литературы

1. Исследование конструктивных решений и технологий проектирования экскаваторов КТМ: отчет о НИР / Доронин С.В. - Красноярск, 2010. - 259 с. - № ГР 01201152895. - Инв. № 02201156216.

2. Доронин С.В., Москвичев В.В., Похабов Ю.П. Обоснование нагрузок для установления расчетных случаев нагружения карьерного экскаватора. // Вестник СибГАУ. 2010. № 6. С. 43-46.

Размещено на Allbest.ru